Würzburg, Germany
March 29, 2021
During drought, plants use a signalling molecule known from animals to limit their water loss. The molecule provides them with a kind of memory of how dry the day was.
During drought, the signalling molecule GABA is produced and inhibits the opening of leaf pores (left). If the enzyme GAD2, which converts glutamate to GABA, is genetically switched off, the pores remain open even during drought - the plants lose more water (centre). If the gene for GAD2 is reintroduced into the closing cells, the defect is reversed. The experiment shows that the sphincter cells autonomously perceive stress and react to it with GABA production. (Image: Rainer Hedrich / Universität Würzburg)
"I‘ve been studying how plants regulate their water balance for over 35 years. To find a completely new and unexpected way for saving water has certainly been one of the most surprising discoveries in my life." So says Professor Rainer Hedrich, plant scientist and biophysicist from Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bavaria, Germany.
Hedrich's group discovered this new strategy together with researchers from the University of Adelaide in Australia. The results have been published in the journal Nature Communications.
GABA quantity as stress memory
The publication shows: plants use the signalling molecule GABA (gamma-aminobutyric acid) to remember the dryness of a day. The drier it is, the more GABA accumulates in the plant tissue during the day. And the next morning, the amount of GABA determines how wide the plant opens its leaf pores. The opening width of these pores can limit water loss.
GABA is a signalling molecule that also occurs in humans and animals: there it is a messenger substance of the nervous system. Plants have no nerve cells and no brain. And yet GABA is now also found in them in connection with memory-like processes.
Rainer Hedrich names another connection: Short-term memory, which the carnivorous Venus flytrap uses to count the number of times its prey touches it, depends on the calcium level in the cell. And it is the calcium level that regulates the enzymatic biosynthesis of GABA in plants.
Low water needs, high drought tolerance
The GABA effect has been demonstrated in various crops, as Professor Matthew Gilliham of the University of Adelaide explains: "Under the influence of GABA, barley, broad beans and soybeans, for example, close their leaf pores." Laboratory plants that produce more GABA due to mutations also react in this way. In experiments, these mutants need less water and survive drought longer.
Scientists know of other signalling substances in plants that cause the leaf pores to close. But GABA relies on a completely different mechanism of action, explains the lead author of the publication, Dr Bo Xu from the Australian Research Council Centre of Excellence in Plant Energy Biology.
Drought-tolerant plants for the future
Insights into the water-saving mechanisms and drought tolerance of plants are becoming increasingly important in times of climate change. For some years now, increasing heat and drought have been affecting many crops. The earth's water resources that can be used for agriculture are also threatened. Mankind is therefore likely to be increasingly dependent on new varieties that still produce good yields with as little water as possible.
Publication
GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience, Nature Communications, 29 March 2021, Open Access:
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21694-3
Pflanzen erinnern sich an Trockenheit
Bei Trockenheit benutzen Pflanzen ein von Tieren bekanntes Signalmolekül, um ihren Wasserverlust zu begrenzen. Es verschafft ihnen eine Art Gedächtnis dafür, wie trocken der Tag war.
Bei Trockenheit wird das Signalmolekül GABA gebildet und hemmt die Öffnung der Blattporen (links). Wird das Enzym GAD2, das Glutamat zu GABA umwandelt, genetisch ausgeschaltet, bleiben die Poren auch bei Trockenheit offen – die Pflanzen verlieren mehr Wasser (Mitte). Schleust man das Gen für GAD2 wieder in die Schließzellen ein, wird der Defekt aufgehoben. Das Experiment zeigt, dass die Schließzellen autonom Stress wahrnehmen und mit GABA-Produktion darauf reagieren. (Bild: Rainer Hedrich / Universität Würzburg)
„Ich erforsche seit über 35 Jahren, wie Pflanzen ihren Wasserhaushalt regulieren. Dass wir jetzt unerwartet auf eine völlig neue Strategie des Wassersparens gestoßen sind, gehört zu den größten Überraschungen in meinem Forscherleben.“ Das sagt Professor Rainer Hedrich, Pflanzenwissenschaftler und Biophysiker von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.
Hedrichs Gruppe hat diese neue Strategie gemeinsam mit einem Team von der Universität Adelaide in Australien entdeckt. Die Ergebnisse sind im Journal Nature Communications veröffentlicht.
GABA-Menge als Stressgedächtnis
Die Publikation zeigt: Pflanzen benutzen das Signalmolekül GABA (Gamma-Aminobuttersäure), um sich an die Trockenheit eines Tages zu erinnern. Je trockener es ist, umso mehr GABA häuft sich im Lauf des Tages im Pflanzengewebe an. Und am nächsten Morgen entscheidet die GABA-Menge darüber, wie weit die Pflanze ihre Blattporen aufmacht. Die Öffnungsweite dieser Poren kann den Wasserverlust begrenzen.
GABA ist ein Signalmolekül, das auch bei Menschen und Tieren vorkommt: Es ist dort ein Botenstoff des Nervensystems. Pflanzen haben keine Nervenzellen und kein Gehirn. Und trotzdem taucht nun GABA auch bei ihnen im Zusammenhang mit gedächtnisähnlichen Vorgängen auf.
Rainer Hedrich nennt eine weitere Verbindung: Das Kurzzeitgedächtnis, mit dem die fleischfressende Venusfliegenfalle die Zahl der Berührungen durch ihre Beutetiere zählt, hängt vom Kalziumspiegel in der Zelle ab. Und der Kalziumspiegel ist es auch, der die enzymatische Biosynthese von GABA in Pflanzen reguliert.
Geringer Wasserbedarf, hohe Trockentoleranz
Die GABA-Wirkung wurde bei verschiedenen Ackerfrüchten nachgewiesen, wie Professor Matthew Gilliham von der Universität Adelaide erklärt: „Unter dem Einfluss von GABA schließen zum Beispiel Gerste, Saubohnen und Sojabohnen ihre Blattporen.“ Derartig reagieren auch Laborpflanzen, die durch Mutationen mehr GABA produzieren als normal. Diese Mutanten brauchen in Experimenten weniger Wasser und überstehen eine Trockenheit länger.
Die Wissenschaft kennt bei Pflanzen noch andere Signalstoffe, unter deren Einfluss sich die Blattporen schließen. Doch GABA setze auf einen komplett anderen Wirkmechanismus. Das erklärt der Erstautor der Veröffentlichung, Dr. Bo Xu vom Australian Research Council Centre of Excellence in Plant Energy Biology.
Dürretolerante Pflanzen für die Zukunft
Erkenntnisse über die Wasserspar-Mechanismen und die Trockentoleranz von Pflanzen werden in Zeiten des Klimawandels immer wichtiger. Schon seit einigen Jahren setzen zunehmende Hitze und Dürre vielen Nutzpflanzen zu. Bedroht sind auch die landwirtschaftlich nutzbaren Wasser-Ressourcen der Erde. Die Menschheit dürfte darum verstärkt auf Neuzüchtungen angewiesen sein, die mit möglichst wenig Wasser noch gute Erträge liefern.
Publikation
GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience, Nature Communications, 29. März 2021, Open Access:
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21694-3
Topics
Species
